封裝天線（簡稱AiP）是基于封裝材料與工藝將天線與芯片集成在封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)無線功能的一門技術(shù)。 AiP技術(shù)順應(yīng)了硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的潮流，為系統(tǒng)級(jí)無線芯片提供了良好的天線解決方案，因而深受廣大芯片及封裝制造商的青睞。AiP技術(shù)很好地兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來天線技術(shù)的重要成就。另外，AiP技術(shù)將天線觸角伸向集成電路、封裝、材料與工藝等領(lǐng)域，倡導(dǎo)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。AiP技術(shù)已逐漸趨于常熟，在技術(shù)方面有很多論文和專利可供參考，但還沒有一篇回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補(bǔ)這一方面的空白。在文中我將利用AiP技術(shù)發(fā)展歷程中起到重要推動(dòng)作用的經(jīng)典設(shè)計(jì)為例，加以自己親身經(jīng)歷的故事，為大家勾勒出AiP技術(shù)發(fā)展的來龍去脈。
1.引言
無線通信發(fā)展迅速，4G的商用才剛剛鋪開，5G研發(fā)的熱潮已迎面撲來。在未來的幾年里，5G旨在實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高速率、大容量萬物互聯(lián)，將會(huì)徹底改變我們同世界互動(dòng)的方式。為了使5G的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須突破幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)藩籬，其中一個(gè)核心技術(shù)的難題就與我們的領(lǐng)域息息相關(guān)，即如何利用大規(guī)模MIMO天線陣列實(shí)現(xiàn)波束成形、掃描、追蹤、鎖定來有效對(duì)抗毫米波移動(dòng)信道的路徑損耗[1]。
汽車?yán)走_(dá)改善了駕車安全同時(shí)，也提升了全新的駕車體驗(yàn)。目前，汽車?yán)走_(dá)工作在24GHz和77GHz的窄頻帶范圍，僅起到預(yù)警及輔助駕駛的作用。未來汽車?yán)走_(dá)將朝著工作在79GHz寬頻帶發(fā)展，利用4GHz帶寬獲得更高的空間分辨率甚至實(shí)現(xiàn)無人駕駛[2]。2015年，谷歌手勢(shì)雷達(dá)一經(jīng)問世，便立刻造成全球轟動(dòng)。手勢(shì)雷達(dá)工作在60GHz頻帶，跟蹤人手移動(dòng)及其變化，非常適合嵌入在可穿戴設(shè)備、手機(jī)和其它電子產(chǎn)品中作為用戶界面[3]。
消費(fèi)類電子產(chǎn)品的硬件主要是通過系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。SoC技術(shù)通過半導(dǎo)體工藝在同一個(gè)芯片上集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種電路。而SiP技術(shù)則是通過封裝工藝將各個(gè)功能模塊集成在一個(gè)封裝內(nèi)[4]。 盡管SOC技術(shù)可以以更低的系統(tǒng)成本來提高系統(tǒng)的可靠性和功能，但是由于使用相同的材料和工藝，沒辦法使每個(gè)類型的電路性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)功耗增加等問題。相反，SiP技術(shù)可以提升系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)功耗，但是由于功能模塊和封裝制作采用不同的材料和工藝，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低和系統(tǒng)成本增加等問題。
天線是無線系統(tǒng)中的重要部件，有分離和集成兩種形式。分離天線司空見慣[5]，集成天線也已悄悄地進(jìn)入到我們的視線。集成天線包括片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩大類型[6]。AoC技術(shù)通過半導(dǎo)體材料與工藝將天線與其它電路集成在同一個(gè)芯片上[7-11]。考慮到成本和性能，AoC技術(shù)更適用于太赫茲頻段[12-14]。AiP技術(shù)是通過封裝材料與工藝將天線集成在攜帶芯片的封裝內(nèi)。 AiP技術(shù)很好地兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來天線技術(shù)重大成就，因而深受廣大芯片及封裝制造商的青睞。如今幾乎所有的60GHz無線通信和手勢(shì)雷達(dá)芯片都采用了AiP技術(shù)[15-26]。除此之外，在79GHz汽車?yán)走_(dá)[2], 94GHz相控陣天線，122GHz、145GHz和160GHz傳感器以及300GHz無線鏈接芯片中都可以找到AiP技術(shù)的身影[27-32]。毋庸置疑，AiP技術(shù)也將會(huì)為5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)提供很好的天線解決方案。
很顯然AoC和AiP分別屬于上述SoC和SiP概念的范疇，那么我們?yōu)槭裁匆獙⑺鼈儚腟oC和SiP技術(shù)中明確區(qū)分開來呢？原因其實(shí)很簡單，就是為了強(qiáng)調(diào)它們獨(dú)有的輻射特性。關(guān)于AoC技術(shù)，需另辟專文詳述，本文僅擬論及AiP技術(shù)。 盡管AiP技術(shù)方面的論文和專利有很多，但還沒有一篇回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補(bǔ)這一方面的空白。另外，本文也是介紹封裝天線技術(shù)系列文章的第一篇：歷史篇。在文中我將利用AiP技術(shù)發(fā)展歷程中起到重要推動(dòng)作用的經(jīng)典設(shè)計(jì)為例，加以自己親身經(jīng)歷的故事，為大家勾勒出AiP技術(shù)發(fā)展的來龍去脈。
2.AiP技術(shù)發(fā)展歷程
AiP技術(shù)早在該術(shù)語被提出和普及之前就已經(jīng)存在。AiP技術(shù)繼承與發(fā)揚(yáng)了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣結(jié)構(gòu)的集成概念。它的發(fā)展主要得益于市場(chǎng)的巨大需求，硅基半導(dǎo)體工藝集成度的提高，驅(qū)動(dòng)了研究者自90年代末不斷深入地探索在芯片封裝上集成單個(gè)或多個(gè)天線。
2.1 早期與藍(lán)牙無線技術(shù)一起發(fā)芽
我于1993年初榮幸地成為香港中文大學(xué)國際知名衛(wèi)星天線專家黃振峰博士課題組一員，有機(jī)會(huì)參與制造和測(cè)試多款微帶天線。通過使用一種剛問世不久的低損耗高介電常數(shù)陶瓷材料，我們成功地將900MHz微帶天線小型化到只有手指甲大小，這樣利用幾個(gè)小型化天線就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線輻射方向圖成形，減少向人體側(cè)輻射。研究成果不知怎樣引起了時(shí)任香港中文大學(xué)校長高錕教授的注意，有一天召集我們到他辦公室向他匯報(bào)。然而，我們關(guān)于實(shí)現(xiàn)天線小型化的研究似乎沒有給高錕教授留下深刻印象。他打比喻說：將四條腿的長凳縮小到三條腿的板凳只是進(jìn)化而已，大學(xué)應(yīng)該嘗試做一些革命性的研究。高錕教授獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也許高錕教授這樣偉大的科學(xué)家更關(guān)注研究的科學(xué)價(jià)值，而我們則更強(qiáng)調(diào)潛在的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，我們關(guān)于天線小型化的工作在天線領(lǐng)域受到歡迎，并在1995年IEEE天線與傳播國際研討會(huì)上與摩托羅拉公司設(shè)計(jì)的類似天線在同一會(huì)場(chǎng)宣讀[33]，直接促進(jìn)了陶瓷貼片天線的發(fā)展。1996年，我加入了香港城市大學(xué)國際著名的天線實(shí)驗(yàn)室從事介質(zhì)諧振器天線研究。偶然的機(jī)會(huì)我在香港城市大學(xué)遇到了材料科學(xué)家李國源博士，他熱情地向我介紹了他研究的LTCC材料與工藝，并用一塊可以表貼集成電路內(nèi)有埋置去耦電容的LTCC基板講解了厚膜電路的優(yōu)缺點(diǎn)，臨別時(shí)還慷慨地向我贈(zèng)送了好多塊他燒好的LTCC基板用于天線研究。這些LTCC基板除了后來用于天線試驗(yàn)毀壞的以外，剩余的我至今還保留著。李國源博士現(xiàn)在是華南理工大學(xué)教授。1998年，我離開任教的香港大學(xué)前往新加坡南洋理工大學(xué)就職。令我驚訝的是，我被分派到電路與系統(tǒng)系而非通信工程系，后者有幾位教授及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室從事天線與電磁波傳播研究。 在參觀集成電路實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我看到了圖一所示的裝置，就問實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究生那是微帶天線嗎？研究生回答到：“不，那不是，那是一個(gè)集成電路芯片�！辈痪�，電路與系統(tǒng)系啟動(dòng)了“片上軟件無線電”的戰(zhàn)略性研究項(xiàng)目，我的任務(wù)是為這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)天線技術(shù)。因?yàn)閷?duì)圖1所示的集成電路芯片同微帶天線結(jié)構(gòu)相似的著迷，以及預(yù)測(cè)到未來有可能產(chǎn)生一種革命性的天線解決方案所激動(dòng)，我很快決定研究圖1所示集成電路芯片作為天線的可行性[34]。首先，我找來許多現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來進(jìn)行天線及電路實(shí)驗(yàn)研究它們之間的相互影響。圖2左就是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)過的一個(gè)在雙列直插式封裝上實(shí)現(xiàn)的2.4GHz天線。后來發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來進(jìn)行天線實(shí)驗(yàn)有很大的局限性，于是決定利用印刷電路板（PCB）工藝加工集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型且印制有天線。圖2中所示的集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型利用了三層電路板，天線印制在頂層板上，信號(hào)線及封裝地在低層板上實(shí)現(xiàn)，中間層中空夾在頂?shù)蛯又�間形成一個(gè)腔體來攜帶裸芯片。圖2中頂層板印制了5.2GHz微帶天線，如果頂層板換成圖2中左下角所示的板，則模擬集成電路封裝結(jié)構(gòu)是一款集成有2.4GHz及5.2GHz雙頻微帶天線。上述在現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片和PCB加工的模型上嘗試，都獲得了令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。受其鼓舞，我和我的學(xué)生林偉、薛陽及王珺珺于2003年利用LTCC工藝實(shí)現(xiàn)了多款真正工業(yè)意義上的封裝天線[35]。圖2右是一款利用 LTCC工藝為藍(lán)牙芯片開發(fā)的差分封裝天線。
 
圖1. 擁有密封金屬環(huán)及蓋的陶瓷封裝集成電路芯片
 
圖2. 封裝天線技術(shù)的進(jìn)化
與此同時(shí)，英國伯明翰大學(xué)C.T. Song，P.S. Hall和H.Ghafouri-Shiraz提出了兩個(gè)有關(guān)天線封裝的概念。第一個(gè)概念突出體現(xiàn)了將小天線埋入到芯片封裝材料中，然后在埋入式天線近距離處放置一個(gè)寄生單元，從而改善封裝天線的低增益并增加帶寬。 第二個(gè)概念建議在半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)射頻前端電路及電小饋電天線，并在饋電天線上方增加寄生單元并充當(dāng)封裝頂蓋，密封整個(gè)芯片[36]。Hall教授學(xué)識(shí)淵博、謙虛低調(diào)，是國際天線界一位德高望重的學(xué)者。為表彰他在微帶天線方面所做出的杰出貢獻(xiàn)， 美國IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)授予他2012年度the John Kraus Antenna Award, 英國IET授予他2013年度the James R. James Lifetime Achievement Award.
幾乎在同一時(shí)間，封裝工程師也在嘗試解決相同的問題。D.J.Mathews等人申報(bào)了一項(xiàng)內(nèi)置電磁防護(hù)罩和天線的用于藍(lán)牙芯片封裝的發(fā)明專利[37]。美國佐治亞理工學(xué)院K.T.Lim等人設(shè)法在封裝系統(tǒng)（SoP）上集成射頻無源器件、天線和有源芯片，以增強(qiáng)封裝系統(tǒng)的整體性能和增加更多功能[38]。比利時(shí)校際微電子中心S.Brebels等人也實(shí)現(xiàn)了集成有天線的SoP[39]。但是，由于已經(jīng)有SiP的概念,SoP的概念未被廣泛接受。
稍后一些時(shí)間，香港城市大學(xué)梁國華教授及新加坡微電子研究所A.P.Popov博士分別獨(dú)立發(fā)明基于介質(zhì)諧振器天線的AiP技術(shù)[40]，[41]。梁國華教授同我90年代初相識(shí)在香港中文大學(xué)微波實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)他博士即將畢業(yè)，他的博士導(dǎo)師實(shí)際上是陸貴文教授。據(jù)說梁國華博士論文答辯時(shí)，答辯委員會(huì)主席認(rèn)為他提交給中文大學(xué)的博士論文等于其它學(xué)校的兩份博士論文。梁國華教授后來被任命為IEEE天線與傳播匯刊的主編。也聽說陸貴文教授當(dāng)年在香港大學(xué)提交的碩士論文被英國倫敦大學(xué)一位國際著名的教授認(rèn)為是一篇優(yōu)異的博士論文，建議香港大學(xué)直接授予陸貴文博士學(xué)位。陸貴文教授獲2017年度IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)the John Kraus Antenna Award。加上曾經(jīng)長期在香港中文大學(xué)及城市大學(xué)工作過的李啟方教授于2009年獲the John Kraus Antenna Award，微帶天線的研究至少已產(chǎn)生了三位獲獎(jiǎng)?wù)摺?/span>
2.2 中期與60GHz無線技術(shù)及毫米波雷達(dá)一起成長
2005年三月初，在新加坡舉辦的第一屆小型天線國際研討會(huì)（International Workshop on Small Antenna Technology）上， 我第一次見到了來自IBM Thomas J. Watson Research Center的Brian Gaucher先生和劉兌現(xiàn)博士，并邀請(qǐng)他們?cè)L問了南洋理工大學(xué)。Brian就IBM的60GHz SiGe芯片、天線、封裝和測(cè)試設(shè)備做了學(xué)術(shù)報(bào)告。圖3為IBM用于概念驗(yàn)證的60GHz芯片照片。SiGe裸芯片通過倒裝焊技術(shù)與天線連接、封裝成為柵格陣列模塊。由于需要在封裝內(nèi)加金屬墻及封裝上開天線窗口，因此該概念封裝天線不易大批量生產(chǎn)。 我向Brian Gaucher先生和劉兌現(xiàn)博士簡要介紹了幾款基于LTCC工藝適合批量生產(chǎn)的2.4GHz和5.2GHz頻段的封裝天線。雙方當(dāng)場(chǎng)就達(dá)成了基于LTCC工藝合作開發(fā)用于IBM 60GHz SiGe芯片組的封裝天線的可行性研究計(jì)劃。我和我的學(xué)生孫梅博士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作，邀請(qǐng)新加坡制造技術(shù)研究所（SIMTech）的一個(gè)研究小組負(fù)責(zé)LTCC加工，劉兌現(xiàn)博士負(fù)責(zé)評(píng)估并向我反饋測(cè)試結(jié)果。
 
圖3. IBM公司用于概念驗(yàn)證的60GHz SiGe芯片、天線、封裝模塊照片
早期在封裝上集成天線，所用英文名稱五花八門。隨著開發(fā)的深入我意識(shí)到一個(gè)專門響亮的名稱非常有利于去推廣它。2006年起，我首先使用Antenna-in-Package的名稱去推廣這一新穎的天線解決方案。采用Antenna-in-Package（AiP）而不是Antenna-on-Package （AoP） 主要考量是前者更有可能使天線靠近芯片，減少互連損耗[55]。低插損的天線與芯片互連是毫米波AiP技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。2006年三月初，我參加了在美國紐約舉辦的第二屆小型天線國際研討會(huì)，并訪問了IBM Thomas J. Watson Research Center，與劉兌現(xiàn)、U. R. Pfeiffer和Janusz Grzyb 博士討論了AiP 技術(shù)問題。很遺憾，這次訪問并沒有見到已于2004年離開IBM的Thomas Zwick 博士。Thomas在開發(fā)探針式毫米波集成天線測(cè)試系統(tǒng)及AiP鍵合線互連方面做出了突出貢獻(xiàn)。此次會(huì)面增強(qiáng)了雙方合作，加速了AiP技術(shù)的發(fā)展。圖4展示了設(shè)計(jì)階段獲取的截圖和劉兌現(xiàn)博士評(píng)估和測(cè)試的基于LTCC加工的AiP樣品。這一樣品集成了共面波導(dǎo)饋線、準(zhǔn)腔體、定向保護(hù)環(huán)、基板材料調(diào)制的槽天線。天線輸入阻抗故意設(shè)計(jì)成容性的與芯片通過感性的鍵合線互連，結(jié)果令人滿意，并在2007年三月英國劍橋舉辦的第三屆小型天線國際研討會(huì)上被授予最佳論文獎(jiǎng)[32]。事實(shí)上，在赴英參會(huì)之前我在一次內(nèi)部會(huì)議上就對(duì)孫梅博士及新加坡制造技術(shù)研究所的合作者預(yù)測(cè)到60GHz AiP技術(shù)論文會(huì)獲獎(jiǎng)。而且，還有一件有趣的事情，那就是在劍橋大學(xué)的演講廳等待頒獎(jiǎng)時(shí)，我在一張會(huì)議用紙上寫了個(gè)便條，再一次預(yù)測(cè)有關(guān)AiP的工作將會(huì)贏得更高獎(jiǎng)項(xiàng)。我也請(qǐng)劉兌現(xiàn)博士在便條上簽了字，便條至今由我保管。果然不出所料，2012年我、孫梅、劉兌現(xiàn)和陸億瀧博士榮獲當(dāng)年IEEE 天線與傳播學(xué)會(huì)謝昆諾夫論文獎(jiǎng)（Sergei A. Schelkunoff Transactions Prize Paper Award）[43]。這是該獎(jiǎng)項(xiàng)自1957年設(shè)立以來，亞洲研究者首次及至今唯一獲此殊榮。謝昆諾夫是國際著名的電磁理論學(xué)家。他于1920年代初期從前蘇聯(lián)經(jīng)我國移居美國。他在工程電磁場(chǎng)、天線理論、波導(dǎo)理論、電磁屏蔽等方面提出了許多定理、原理、概念、方法，做出了重要的貢獻(xiàn)。他使應(yīng)用數(shù)學(xué)煥發(fā)出光彩, 許多工作帶有奠基性質(zhì)。就經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)方法(即量子理論以外領(lǐng)域)而言, 我國著名物理學(xué)家黃志詢先生認(rèn)為可以把他比作二十世紀(jì)的麥克斯韋[44]。
 
圖4. LTCC 60GHz AiP設(shè)計(jì)時(shí)截圖及實(shí)物照片
John Kraus是對(duì)天線做出卓越貢獻(xiàn)的老一輩天線專家。IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)的the John Kraus Antenna Award就是用他名字命名的。Kraus發(fā)明的螺旋天線應(yīng)用非常廣泛，但他發(fā)明的柵格天線卻鮮有應(yīng)用[45]。孫梅博士在2008年發(fā)現(xiàn)柵格天線的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)非常適合于LTCC工藝，故將其應(yīng)用于60GHz AiP設(shè)計(jì)中。緊接著Wolfgang Menzel等人將其應(yīng)用于79GHz[2]，陳梓浩等人將其應(yīng)用于94GHz[46], Thomas等人將其應(yīng)用于122GHz[47], 張冰等人將其應(yīng)用于145GHz AiP設(shè)計(jì)中[48]。幾乎快被人遺忘的柵格天線得以在AiP技術(shù)中發(fā)揚(yáng)光大。Menzel教授是微帶漏波天線的發(fā)明者，曾訪問南洋理工大學(xué)并做了有關(guān)車載雷達(dá)中毫米波天線的邀請(qǐng)報(bào)告，期間與我們交流了關(guān)于柵格天線的設(shè)計(jì)方法。圖5是孫梅等人利用LTCC工藝為IBM 60GHz SiGe 接收機(jī)裸芯片設(shè)計(jì)的AiP。它采用了鍵合線球柵陣列(BGA)封裝結(jié)構(gòu)集成了14個(gè)網(wǎng)格的柵格天線，尺寸為13.5×8×1.265 mm3。 劉兌現(xiàn)博士測(cè)試了AiP的天線性能并給我發(fā)送了電子郵件，郵件中只寫了兩個(gè)字“excellent results”。確實(shí)，結(jié)果表明柵格天線具有頻帶寬、輻射效率高的優(yōu)點(diǎn)，且在57GHz至64GHz頻率范圍內(nèi)主波束輻射都在天頂方向，在60GHz頻段最大增益可達(dá)到14.5dBi[49]，代表了當(dāng)時(shí)最好的60GHz AiP設(shè)計(jì)。
 
圖5. LTCC 60GHz AiP實(shí)物照片
AiP技術(shù)的成功主要?dú)w功于人們重拾了對(duì)60GHz無線系統(tǒng)的研究與開發(fā)興趣。2007年標(biāo)志著AiP技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新的階段。IEEE開始著手制定60GHz頻帶標(biāo)準(zhǔn)，很多企業(yè)開始重視60GHz芯片及封裝天線的研發(fā)。美國SiBEAM公司第一個(gè)將60GHz天線陣與CMOS裸芯片利用LTCC工藝集成在一起，引入消費(fèi)市場(chǎng)，用于高清視頻內(nèi)容的無線傳輸[50]。圖6是SiBEAM公司60GHz芯片的照片，集成的微帶天線陣清晰可見。值得一提的是，我在2005年9月22-23日美國加州圣克克拉市舉辦的天線系統(tǒng)和短程無線會(huì)議上做主題演講后，休息之余，與SiBEAM的創(chuàng)始人之一以及毫米波CMOS電路先驅(qū)者C.H.Doan先生熱情地討論了一些有關(guān)基于LTCC封裝天線集成的問題[51]。
 
圖6. Sibeam公司60GHz LTCC封裝天線CMOS芯片實(shí)物照片
2010年，美國IBM公司公布了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[52]。如圖7所示，基于LTCC工藝，16個(gè)矩形微帶天線被集成在BGA封裝中，發(fā)射或接收裸芯片通過倒裝焊技術(shù)與AiP相連。AiP尺寸為 28×28×1.47 mm3，在四個(gè)IEEE802.15.3c通道中，天線單元增益均可以達(dá)到5dBi。2011年，IBM還展示了另外一個(gè)用于60GHz相控陣系統(tǒng)的基于有機(jī)材料高密度互連工藝（HDI）的完整AiP方案[53]。值得一提的是IBM與封裝材料及工藝商通過努力實(shí)現(xiàn)了在AiP中嵌入空氣腔體來改善微帶天線阻抗及輻射特性。
 
圖7. IBM公司 60GHz LTCC封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片
2011年，韓國Samsung公司發(fā)表了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[20]。如圖8所示，基于LTCC工藝，24個(gè)圓形微帶天線被集成在BGA封裝中，發(fā)射或接收裸芯片可以通過倒裝焊技術(shù)與AiP相連。為了避免像IBM公司那樣在AiP中嵌入空氣腔體來改善微帶天線阻抗及輻射特性可能帶來的可靠性問題，Samsung公司AiP設(shè)計(jì)采用了圓形疊層微帶天線。 AiP的尺寸為20×15×1.02 mm3，實(shí)現(xiàn)了9GHz帶寬及14.5dBi增益。Samsung公司還分別在2012和2013年提出了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的基于低成本FR4材料與HDI工藝的完整AiP方案[21] [23]。 疊層微帶天線有助于滿足HDI工藝對(duì)金屬密度的要求。Samsung公司AiP技術(shù)主要貢獻(xiàn)者是一位名叫Wonbin Hong的年輕學(xué)者，我們經(jīng)常通過電子郵件及在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上交流AiP技術(shù)方面的心得。后來Hong博士率先在國際上報(bào)道了28GHz 5G手機(jī)天線方面的工作，引起天線界的關(guān)注。
 
圖8. Samsung公司集成了24個(gè)天線的AiP實(shí)物照片
2012年，美國英特爾（Intel）公司發(fā)表了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[54]。如圖9所示，基于LTCC工藝，36個(gè)矩形微帶天線（含4個(gè)啞元）被集成在BGA封裝中，收發(fā)裸芯片通過倒裝焊技術(shù)與AiP相連。AiP尺寸為25×25×1.4 mm3，在60GHz頻段，±30o掃描范圍內(nèi)增益達(dá)19dBi。針對(duì)60GHz相控陣系統(tǒng)，英特爾還分別在2013年、2014年和2015年提出利用PCB[55]、玻璃[63]和液晶聚合物（LCP）[56]，[57]實(shí)現(xiàn)低成本低損耗AiP解決方案。
 
圖9. Intel公司60GHz LTCC封裝天線 CMOS芯片實(shí)物照片
2015年，美國谷歌（Google）公司首次公開亮相的手勢(shì)雷達(dá)名震四海。手勢(shì)雷達(dá)使用60GHz信號(hào)來快速追蹤人手移動(dòng)，精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。也許對(duì)我而言，最振奮人心的就是AiP技術(shù)被應(yīng)用于手勢(shì)雷達(dá)芯片，如圖10所示，德國英飛凌（Infineon）公司利用嵌入式晶圓級(jí)封裝(eWLB)技術(shù)，在AiP中集成了一個(gè)60GHz SiGe 收發(fā)裸芯片、兩個(gè)用于發(fā)射的差分微帶天線和用于接收的四個(gè)單端口微帶天線[26]。AiP的尺寸為14×14×0.8 mm3，顯而易見，其尺寸已經(jīng)足夠小可用于穿戴設(shè)備。并且對(duì)于很多如智能手表、手機(jī)和其它裝置而言，手勢(shì)雷達(dá)作為用戶界面潛力巨大。
 
圖10.Google公司60GHz eWLB封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片
幾乎所有主要的日本電子公司都開發(fā)出了適用于60GHz應(yīng)用的芯片組和AiP方案。圖11所示的是日本NEC公司早期開發(fā)的60GHz接收機(jī)模塊及NTT公司近期開發(fā)的60GHz收發(fā)模塊。兩家公司分別用不同的LTCC工藝在模塊中集成了縫隙天線及拋物面天線[60]，[61]。
 
圖11.NEC公司和NTT公司60GHz LTCC封裝天線GaAs芯片實(shí)物照片
像AiP技術(shù)用于谷歌手勢(shì)雷達(dá)中一樣，英飛凌公司也為77GHz車載雷達(dá)研制了SiGe芯片組及基于eWLB工藝的AiP技術(shù)，并自2016年6月以來就同比利時(shí)校際微電子中心合作開發(fā)基于28nmCMOS的芯片組和基于低成本低損耗PCB工藝的AiP技術(shù)，用于79GHz車載雷達(dá)[58]。比利時(shí)校際微電子中心負(fù)責(zé)AiP技術(shù)開發(fā)的是Guy A. E.Vandenbosch教授。Vandenbosch教授每次來中國講學(xué)，都會(huì)在演講前向?qū)W生們贈(zèng)送著名的比利時(shí)巧克力，很受學(xué)生們歡迎。IBM公司將其AiP技術(shù)的工作頻段推進(jìn)到94GHz，并在2014年實(shí)現(xiàn)了用于W波段的可擴(kuò)展相控陣系統(tǒng)的SiGe芯片及完整AiP解決方案。如圖12所示，該AiP設(shè)計(jì)采用多層有機(jī)基片及高密度互連工藝（HDI）集成了64個(gè)雙極化疊層微帶天線和36個(gè)啞元，其尺寸為16.2×16.2×0.75 mm3。
 
圖12. IBM公司 94GHz HDI封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片
在歐盟科技委員會(huì)的贊助下，SUCCESS合作團(tuán)體從2009年11月至2013年5月，基于SiGe工藝開發(fā)了如圖13所示的122GHz及145GHz雷達(dá)芯片，且用鍵合線將它們分別與天線陣列集成在8mm見方的扁平無引腳（QFN）封裝內(nèi)[59]。 圖14是奧德利JKU在歐盟科技委員會(huì)、英飛凌等公司贊助下于2013年10月報(bào)道的基于SiGe工藝開發(fā)的160GHz雷達(dá)芯片及基于eWLB工藝將芯片與天線陣集成在BGA封裝內(nèi)[30]。
 
圖13. 122及145GHz封裝天線SiGe芯片實(shí)物照片
 
圖14. 160GHz eWLB封裝天線SiGe芯片實(shí)物照片
2.3 近期助力太赫茲、物聯(lián)網(wǎng)和5G移動(dòng)通信發(fā)展
太赫茲（THz）技術(shù)是改變未來世界的重要技術(shù)，已引起各國政府的重視。在日本政府的支持下，NTT、NICT和FUJITSU都參與到世界上第一個(gè)使用300GHz無線鏈接的收發(fā)信機(jī)研發(fā)工作中。NTT成功研發(fā)了如圖15所示用于300GHz發(fā)射機(jī)芯片的AiP結(jié)構(gòu)。該AiP設(shè)計(jì)采用LTCC工藝，其中喇叭天線尺寸為5×5×2.7 mm3，最大實(shí)現(xiàn)增益為18dBi，帶寬達(dá)100GHz[62]。

 
圖15. NTT公司300GHz LTCC封裝天線實(shí)物照片
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新階段，它通過智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。最近，美國Silicon Labs公司發(fā)布了如圖16所示的世界上最小的藍(lán)牙無線系統(tǒng)，它的封裝內(nèi)集成有天線，尺寸只有6.5×6.5×1.5 mm3，這使得設(shè)計(jì)真正緊湊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得可行[63]。
 
圖16. Silicon Labs公司的藍(lán)牙CMOS芯片內(nèi)置封裝天線實(shí)物照片
AiP技術(shù)是近期國際上5G移動(dòng)通信研發(fā)的一個(gè)重要課題，難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。圖17為IBM應(yīng)用于未來5G基站28GHz AiP照片[64]。該AiP包含4個(gè)單片SiGe裸芯片和64個(gè)雙極化天線，尺寸約為7.1×7.1cm2。劉兌現(xiàn)博士是IBM公司所有AiP設(shè)計(jì)背后的靈魂人物，他指出相控陣列天線的并行雙極化運(yùn)作方式能夠形成兩個(gè)波束支持低于1.4度的波束掃描精度，同時(shí)保持發(fā)送和接收模式，進(jìn)而使服務(wù)的用戶量增加一倍。
 
圖17. IBM公司 28GHz HDI封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片
圖18為Qualcomm近日發(fā)布的用于5G NR 首款智能手機(jī)參考設(shè)計(jì)中采用的28GHz毫米波芯片[65]。參考設(shè)計(jì)旨在于手機(jī)的功耗和尺寸要求下，對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。該芯片天線方案采用AiP技術(shù)，尺寸約為5美分大小。Qualcomm希望能在一年內(nèi)將尺寸縮小一倍。
 
圖18. Qualcomm公司用于5G NR 首款智能手機(jī)參考設(shè)計(jì)中采用封裝天線技術(shù)的的28GHz毫米波芯片實(shí)物照片
3. 結(jié)束語
不知不覺AiP技術(shù)已走過了多年發(fā)展歷程。早期AiP技術(shù)的研究主要集中在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室,圍繞著2.4GHz藍(lán)牙芯片展開。如何實(shí)現(xiàn)天線小型化是當(dāng)時(shí)AiP研究者所面臨的技術(shù)難題。中期AiP技術(shù)的開發(fā)主要集中在大公司，圍繞著60GHz芯片及毫米波雷達(dá)展開。如何實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高增益天線及芯片與天線低損耗互連是中期AiP開發(fā)者所面臨的挑戰(zhàn)。中期也是AiP技術(shù)茁壯發(fā)展的階段，很多大公司投入大量人力物力開發(fā)適合于AiP設(shè)計(jì)的新材料和新工藝，實(shí)屬罕見。據(jù)我所知，也只有在1970年代微帶天線曾獲得過如此矚目與投入。近期AiP技術(shù)的研發(fā)一方面向更高的頻率擴(kuò)展，另一方面正圍繞著IoT及毫米波移動(dòng)通信5G芯片如火如荼展開。更高頻率AiP技術(shù)的關(guān)鍵在于材料損耗及工藝精度，5G AiP技術(shù)的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。
如今AiP技術(shù)不僅僅被工業(yè)界廣泛采用，也已從學(xué)術(shù)界天線領(lǐng)域擴(kuò)散到集成電路、封裝、材料與工藝、微波、雷達(dá)及通信等領(lǐng)域。這一點(diǎn)既可以從發(fā)表AiP技術(shù)相關(guān)文章的刊物看出，也可以從不同領(lǐng)域作者出版的書籍中窺到。比如國際著名的無線通信專家美國紐約大學(xué)Theotores S. Rappaport教授不僅在他發(fā)表的新書毫米波無線通信中專門詳細(xì)介紹AiP技術(shù)，也在很多無線通信類國際學(xué)術(shù)會(huì)議的主題演講中用我們的AiP設(shè)計(jì)作為例子闡述封裝天線的優(yōu)點(diǎn)[64]。再比如以前在射頻集成電路工程師眼中，天線只不過就是一片金屬，現(xiàn)在他們意識(shí)到?jīng)]有好的天線解決方案，設(shè)計(jì)再好的射頻集成電路也就是一塊石英。另外，IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會(huì)比天線與傳播學(xué)會(huì)對(duì)推廣AiP技術(shù)更加積極，幾年前幾乎在同一時(shí)段選擇任命了兩位杰出講師講授AiP技術(shù)。一位是德國Karlsruhe Institute of Technology 的 Thomas Zwick教授[65]，另一位是奧地利Johannes Kepler University的Andreas Stelzer教授[66]。同時(shí)在一個(gè)題目上任命了兩位杰出講師，在IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會(huì)歷史上是前所未有的。德國Karlsruhe Institute of Technology是Heinrich Rudolf Hertz 1887發(fā)現(xiàn)電磁波的地方，Thomas Zwick教授是IBM Thomas J. Watson Research Center前雇員，在AiP設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試方面做出過突出貢獻(xiàn)。 Andreas Stelzer教授由于在SiGe毫米波雷達(dá)芯片設(shè)計(jì)方面的貢獻(xiàn)獲2011年度IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會(huì)微波獎(jiǎng)，在基于eWLB工藝開發(fā)差分AiP技術(shù)方面的貢獻(xiàn)獲首屆IEEE亞太天線與傳播年會(huì)最佳論文獎(jiǎng)。
自20世紀(jì)90年代末，我有幸參與并推動(dòng)了AiP技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展。早在2001年我就同上海交通大學(xué)毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)就AiP技術(shù)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)在三維系統(tǒng)級(jí)集成及多物理場(chǎng)仿真方面經(jīng)驗(yàn)豐富、碩果累累。自行開發(fā)的熱仿真軟件對(duì)分析AiP熱效應(yīng)及散熱設(shè)計(jì)非常有用。近期毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)與電科41所合作建成了我國第一套從50GHz（為適應(yīng)5G高頻段天線測(cè)試已經(jīng)向下擴(kuò)展到18GHz）到325GHz（為適應(yīng)THz頻段天線測(cè)試可擴(kuò)展到500GHz或更高）集成天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)達(dá)到世界先進(jìn)水平，支持探針及波導(dǎo)饋電，110GHz以下也可用同軸饋電。該測(cè)試平臺(tái)已為國內(nèi)多家科研院所的研究項(xiàng)目及公司產(chǎn)品開發(fā)提供了測(cè)試服務(wù)，極大地助進(jìn)了我國在片上天線及封裝天線方面的研究與發(fā)展。在國家各種科研計(jì)劃的支持下，清華大學(xué)馮正和教授團(tuán)隊(duì)，東南大學(xué)洪偉教授團(tuán)隊(duì)、崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)，香港城市大學(xué)薛泉教授團(tuán)隊(duì)，香港城市大學(xué)梁國華教授團(tuán)隊(duì)，浙江大學(xué)尹文言教授團(tuán)隊(duì)，山西大學(xué)張文梅教授團(tuán)隊(duì)都對(duì)AiP技術(shù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。張文梅教授曾兩次應(yīng)邀在新加被南洋理工大學(xué)進(jìn)行長期學(xué)術(shù)訪問與講學(xué)。張文梅教授2008年回國后率先在國際上開展了用濾波器綜合方法設(shè)計(jì)濾波天線。濾波天線目前是國際上微波與天線領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，華南理工大學(xué)褚慶昕教授團(tuán)隊(duì)、章秀銀教授團(tuán)隊(duì)分別在濾波天線的設(shè)計(jì)方面做出了突出貢獻(xiàn)。我國公司盡管在AiP技術(shù)開發(fā)方面起步比較晚，但得益于后發(fā)優(yōu)勢(shì)，60GHz AiP技術(shù)與相關(guān)芯片研發(fā)已取得重大突破，在交大測(cè)試平臺(tái)多次所做的相控陣、大規(guī)模MIMO輻射測(cè)試獲得令人滿意的效果。毫米波頻段5G移動(dòng)通信AiP技術(shù)也已取得進(jìn)展。
最后，讓我將AiP與基片集成波導(dǎo)（SIW）聯(lián)系起來結(jié)束這篇回顧文章。我在2016年南京舉辦的華人微波論壇上講過，吳柯教授及洪偉教授的合作將SIW技術(shù)做成微波領(lǐng)域的國際主流，我同劉兌現(xiàn)博士一起努力讓AiP技術(shù)在國際天線領(lǐng)域引起人們的重視。我倆在相距很近的黃河?xùn)|西岸邊的鄉(xiāng)村出生長大，相識(shí)卻在遠(yuǎn)隔萬里的南洋，珠聯(lián)璧合，開創(chuàng)出封裝天線一片天地，并且三次攜手登上國際天線領(lǐng)域的頒獎(jiǎng)舞臺(tái)，成就了一個(gè)小小奇跡，一段佳話。另外，我們幾位都是77、78級(jí)大學(xué)生， 我們的名字有著鮮明的時(shí)代特征，偉大的躍進(jìn)，可否兌現(xiàn)？我想我們沒忘初心，兌現(xiàn)了父輩的期望及我們自己的選擇！
致謝
太原理工大學(xué)盛劍桓教授，香港中文大學(xué)黃振峰博士，香港中文大學(xué)程伯中教授，南洋理工大學(xué)杜茂安教授。
參考文獻(xiàn)
因?yàn)橐�用文獻(xiàn)眾多，參考文獻(xiàn)將會(huì)在系列文章最后的文獻(xiàn)篇中給出。
作者簡介
張躍平博士，新加坡南洋理工大學(xué)電子工程學(xué)講座教授，IEEE Fellow，IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)杰出講師，上海交通大學(xué)“千人計(jì)劃”國家特聘專家。曾任IEEE天線與傳播匯刊副主編及天線與傳播領(lǐng)域評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)委員。曾榮獲IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)謝昆諾夫論文獎(jiǎng)。目前研究興趣主要集中在無線電電子學(xué)。